第一章_單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、Spring 2011 華南理工大學華南理工大學 第一章第一章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) Spring 2011 2華南理工大學 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系本章著重討論基本的單閉環(huán)控制系 統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計 1.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計 1.4 無靜差調(diào)速系統(tǒng) 1.5 電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng) Spring 2011 3華南理工大學 1.1 1.1 直直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 1.1.1 1.1.1 由旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)變流

2、機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng) 在直流調(diào)速系統(tǒng)中主要采用變電壓調(diào)速,最 早的直流調(diào)速系統(tǒng)是曾在50年代獲得廣泛使用 的由旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，簡稱G- M系統(tǒng)。 圖11 旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（GM系統(tǒng)） Spring 2011 4華南理工大學 采用變流機組供電時電動機可逆運行的機械 特性如下圖： 圖12 GM系統(tǒng)的機械特性 正向電動狀態(tài) 正向制動狀態(tài) -Tl -Te0 反向電動狀態(tài)反向制動狀態(tài) n n1 n2 n3 TlTe -n Spring 2011 5華南理工大學 由圖1-2可見G-M系統(tǒng)可以在允許的轉(zhuǎn) 矩范圍內(nèi)四象限運行，無論是正轉(zhuǎn)減速還 是反轉(zhuǎn)減速時都能實現(xiàn)回饋制動，可滿

3、足 調(diào)速性能方面的要求。但是，這種系統(tǒng)至 少包含兩臺與調(diào)速電動機容量相當?shù)男D(zhuǎn) 電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，因而有旋轉(zhuǎn) 部分多，設(shè)備占地面積大，安裝必須打地 基，運行噪音大、費用昂貴、效率低、維 護不方便等缺點。 Spring 2011 6華南理工大學 1.1.2 1.1.2 晶閘管電動機直流調(diào)晶閘管電動機直流調(diào) 速系統(tǒng)速系統(tǒng) 50年代末，晶閘管（大功率半導體 器件）變流裝置的相繼出現(xiàn)，使變流技 術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘 管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流 電動機供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管 電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)。這種系 統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 Spring 2011

4、 7華南理工大學 V-M系統(tǒng)的簡單原理圖如下: 圖- 晶閘管電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（-系統(tǒng)） 圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相 或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型， 通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 來移動觸發(fā)脈 沖的相位，以改變整流電壓 ，從而實現(xiàn)平滑調(diào) 速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動 態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，因此已在世 界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。 CU dU Spring 2011 8華南理工大學 1.2 1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分 析與設(shè)計析與設(shè)計 1.2.1 V-M1.2.1 V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性系統(tǒng)的開環(huán)機械特性 對于圖1

5、-3所示的V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，當電流連續(xù) 時,其主回路的電壓平衡方程式為: (1-1) 式中 電動機反電動勢； 主電路總的等效電阻，包括整流裝置 內(nèi)阻、電動機電樞電阻和平波電抗器電阻； 理想空載整流電壓的平均值，對一般 全控式整流電路，當電流波形連續(xù)時， E R d U RIEU dd Spring 2011 9華南理工大學 式中 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； =0時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。 將 和式(1-2)代入式(1-1)經(jīng)整理可得 V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性方程式為 cossin m U m U md m U m nCE e (1-2) Spring 2

6、011 10華南理工大學 (1-3) 式中 理想空載轉(zhuǎn)速， 為額定磁 通下的電動勢與轉(zhuǎn)速比，改變控制角，可得不 同的 ； 對應(yīng)負載電流 時的轉(zhuǎn) 速降落。 e d C U n 0 nn RI m U m C RIU C n dm e dd e 0 )cossin( 1 )( 1 e C 0 n d e I C R n d II Spring 2011 11華南理工大學 改變控制角，可得一族平行直線，如圖1-4 中實直線所示和G-M系統(tǒng)的特性很相似。上述 結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器 就可以看成是一個線性的可控電壓源。當電流 斷續(xù)時，機械特性方程要復雜得多，這里不再 討論。 圖1-4

7、V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性（箭頭表示增大的效果） n 分界線 Id 連續(xù)區(qū) 0 Spring 2011 12華南理工大學 1.2.1.1 1.2.1.1 調(diào)速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標調(diào)速系統(tǒng)的兩個穩(wěn)態(tài)指標 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速 和最低轉(zhuǎn)速 之比叫調(diào)速范圍，用字母D 表示，即 靜差率 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空 載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 與理想 空載轉(zhuǎn)速 之比，稱為靜差率即 max n min n n n D min max N n 0 n Spring 2011 13華南理工大學 或用百分數(shù)表示, 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng) 在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它與

8、機械 特性的硬度有關(guān),特性越硬，靜差率越小， 穩(wěn)速精度越高。然而，靜差率與機械特性 的硬度又是有區(qū)別的。同樣硬度的機械特 性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率S越大，轉(zhuǎn) 速的相對穩(wěn)定性越差。 0 n n s N %100 0 n n s N Spring 2011 14華南理工大學 1.2.2 1.2.2 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)的組成及其靜特性系統(tǒng)的組成及其靜特性 1.2.2.1 1.2.2.1 系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖示于 圖15。 圖5轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) AGT Un UnUcM TG Ut Ufn Spring 2011 15華南理工

9、大學 1.2.2.2 1.2.2.2 系統(tǒng)的工作原理及其靜特性概念系統(tǒng)的工作原理及其靜特性概念 改變轉(zhuǎn)速給定電壓 的大小，就可改變電動 機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖16所示，設(shè) 電動機在 決定的特性上的點1處以轉(zhuǎn)速 穩(wěn) 定運行，這時負載電流 控制電壓 整流平均電壓 ，當電動機軸上的負載 轉(zhuǎn)矩 加大時有如下自動調(diào)節(jié)過程： RIIEnT ddL dcfinnnfin UUUUUU)( aU 1d U 1dd II 1cc UU 1dd UU L T 1 n Spring 2011 16華南理工大學 圖16 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機械特性的關(guān)系 Id n 1 2 3 4 5 Ud1 Ud2 Ud3 U

10、d4 B (開環(huán)機械特性） A（閉環(huán)機械特性） Spring 2011 17華南理工大學 上述自動調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小 負載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓， 因而得到一條新的開環(huán)機械特性。按上 述工作原理在每條開環(huán)機械特性上取一 個相應(yīng)的工作點，再將這些點集合起來 ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說， 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實際上是由許多 機械特性上的不同運行點集合而成，可 視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán) 調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。 閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于 它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載 的變化而相應(yīng)地改變整流電壓。 Spring 2011 18華南理工大學 1.2.2.3 1.2.2.

11、3 系統(tǒng)的靜特性方程系統(tǒng)的靜特性方程 為便于分析,先作如下假定： （1）忽略各種非線性因素，認為各環(huán)節(jié) 的輸入輸出關(guān)系是線性的。 （2）假定只工作在VM系統(tǒng)開環(huán)機械特 性的連續(xù)段。 （3）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻，且 認為電動機的磁場不變。 Spring 2011 19華南理工大學 根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸入、輸出關(guān)系，畫出 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖17（a）所示。 圖1-7 （a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 運用結(jié)構(gòu)圖運算方法將給定作用 和擾動作用 看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下 的系統(tǒng)（圖1-12b和c）求出各自的輸出與輸入 關(guān)系，再進行線性疊加。靜特性方程如下： n URId Spring 2

12、011 20華南理工大學 （1-4） 圖1-7(b)只考慮給定作用n時 的系統(tǒng) 圖1-7(c)只考慮擾動作用 dR時的系統(tǒng) bob e d e nsp espe dnsp nn KC RI KC UKK CKKC RIUKK n )1 ()1 ()/1 ( KpKs 1 Ce + - n U n U Ufn n Ks 1 Ce + - Kp Ufn n E-IdR Spring 2011 21華南理工大學 1.2.3 1.2.3 開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉 環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較 比較一下VM閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)系統(tǒng) 的機械特性，就能看出閉環(huán)控制的突出優(yōu)點。 若斷

13、開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 (1-5) 式中 和 分別表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn) 速和靜態(tài)速降，比較式（14）和式（15） 可得以下結(jié)論: ok n k n Spring 2011 22華南理工大學 （1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機械 特性硬得多。 （2）若理想空載轉(zhuǎn)速相同，即 ，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率小得多。 (3) 若要求的靜差率一定，則閉環(huán)系 統(tǒng)的調(diào)速范圍將大大提高。 (4)要使系統(tǒng)具有上述三項優(yōu)點，閉環(huán) 系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 okob nn Spring 2011 23華南理工大學 1.2.41.2.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋 控

14、制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是 反饋控制的基本規(guī)律。 (1)應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差 的 (2)閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從 (3)閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗擾性能 Spring 2011 24華南理工大學 抗擾性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征。 然而，閉環(huán)系統(tǒng)對給定電源和反饋檢測裝置的 擾動量無能為力。因此,提高給定電源和反饋 檢測裝置的精度對提高閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速精度起 著決定性的作用。 圖1-8自動調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 KpKs 1 Ce + - n U n U Uc Ud Ufn nE + - R Id 勵磁變化 電阻變化 交流電源電 壓波動 Kp變化 擾動作用 Spring 2

15、011 25華南理工大學 1.2.5 1.2.5 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的第一 步，它決定控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，然后通過動 態(tài)參數(shù)設(shè)計使系統(tǒng)臻于完善。它包括以下各參 數(shù)的計算: (1) 額定負載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降 ; (2)根據(jù) 求出系統(tǒng)應(yīng)具有的開環(huán)放大系數(shù)K; (3)閘管裝置的放大系數(shù) ; (4)計算測速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù) 和電位器 (5)計算比例調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)和參數(shù)。 b n b n s K 2P R Spring 2011 26華南理工大學 1.2.6 1.2.6 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的電

16、流 截止負反饋環(huán)節(jié)及其特性截止負反饋環(huán)節(jié)及其特性 1.2.6.1 1.2.6.1 調(diào)速系統(tǒng)的限流保護問題調(diào)速系統(tǒng)的限流保護問題 有兩類生產(chǎn)機械要求限制電動機電流。 (1)一類是快速起動和制動的生產(chǎn)機械。 為了實現(xiàn)快速起動,采用轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的給定信號多半采用突加方式，這 時，由于電動機和生產(chǎn)機械的慣性大,轉(zhuǎn)速不 可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,差不多 是其穩(wěn)態(tài)工作值的(1+K)倍,而放大器和晶閘 管整流裝置的慣性都很小，整流電壓一下子 就達到它的最高值,對電動機來說相當于全壓 起動,其起動電流高達額定電流的幾十倍。 Spring 2011 27華南理工大學 (2)另一類是經(jīng)常在

17、堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的生 產(chǎn)機械，例如挖土機,軋鋼機的推床、壓 下裝置等。 在上述兩種情況下，若不采取限流 保護措施，則電動機的起動電流和堵轉(zhuǎn) 電流會大大超過電動機的最大允許電流 值。這樣大的沖擊電流對電動機的換向 十分不利，尤其對于過載能力低的晶閘 管來說，更是不能允許的。 Spring 2011 28華南理工大學 1.2.6.2 1.2.6.2 電流截止負反饋環(huán)節(jié)電流截止負反饋環(huán)節(jié) 為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動和堵轉(zhuǎn)時電 流過大的問題，在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋 ，即當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反 饋。其典型電路如圖1-9所示。 (a)用直流電源作為比較電壓 (b)用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 圖1

18、9電流截止負反饋環(huán)節(jié) M fi U接放大器 c R com U VD d I M fi U接放大器 c R br U d I VST Spring 2011 29華南理工大學 1.2.6.3 1.2.6.3 帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖1-10所 示。 圖10 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性 comCd URI0 fi U Spring 2011 30華南理工大學 將電流截止負反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)其它部 分聯(lián)在一起，即可得帶電流截止負反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-

19、 11所示。 圖11 帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 KpKs 1 Ce + - n U n U Uc Ud Ufn nE + - R Id Rc fi U com U Spring 2011 31華南理工大學 由圖1-11可推導出該系統(tǒng)的靜特性方程。 當 時，電流負反饋被截止， (1-6) 其相應(yīng)的靜特性相當于圖1-11中的 - A段，它是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特 性,比較硬。 dcd II bobd ee nSp nnI KC R KC UKK n )1 ()1 ( ob n Spring 2011 32華南理工大學 當 時，電流負反饋起作用。 (1-7) 其靜特性對應(yīng)圖1

20、-20中的A-B段。 dcd II )1 ()1 ( )( )1 ( )( )1 ()1 ( bob d e cSp e comnSp e d comcd e Sp e nSp nn I KC RKKR KC UUKK KC RI URI KC KK KC UKK n Spring 2011 33華南理工大學 b n0 d I dbl I dc I0 n ob n A B 圖11帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性 上面只是從靜特性上分析了電流截止負反饋環(huán)節(jié) 的起動限流作用，實際起動時電流的變化過程還取決 于系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)與慣性參數(shù)，以及轉(zhuǎn)速給定信號的 加入情況。進一步的動態(tài)分析和較

21、理想的動態(tài)控制將 在以后的章節(jié)中逐步深入討論。 Spring 2011 34華南理工大學 1.3 1.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分 析與設(shè)計析與設(shè)計 上一節(jié)討論了單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)性能。顯然，從穩(wěn)態(tài)精度看，系統(tǒng)的 開環(huán)放大系數(shù)K越大越好。然而，由自動 控制理論可知，為了保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn) 定性，K值不能隨意增大，即在閉環(huán)系統(tǒng) 中穩(wěn)與準是互相矛盾的。為此，必須進 一步分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。 Spring 2011 35華南理工大學 1.3.1 1.3.1 系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 1.3.1.1 1.3.1.1 取數(shù)學模型的步驟取數(shù)學模型的步驟 建立線性系統(tǒng)動態(tài)數(shù)

22、學模型的步驟如下： (1)根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列 寫出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程； (2)求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)； (3)組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng) 的傳遞函數(shù)。 Spring 2011 36華南理工大學 1.3.1.2 1.3.1.2 建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳建立系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的微分方程和傳 遞函數(shù)遞函數(shù) (1)(1)直流電動機直流電動機 電動機的電壓平衡關(guān)系電動機的電壓平衡關(guān)系 在額定勵磁，電樞電流連續(xù)這兩個條件下，電 樞回路的電壓平衡方程式為: （1-8） 式中R是電樞回路總電阻;L是電樞回路總電感； 而 電樞回路電磁時間常數(shù)。在零初始 條件下，對上式兩端取拉氏變換得電樞電流

23、與 電壓之間的傳遞函數(shù)為: （1-9） )()( dt dI TIR dt dI R L IR dt dI LRIEU d ld d d d dd RLT/ 1 1 /1 )()( )( sT R sEsU sI ld d Spring 2011 37華南理工大學 電動機轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電動機轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 忽略粘性摩擦，電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的力矩 平衡方程式為: （1-10） 式中 額定勵磁下的電磁轉(zhuǎn)矩； 包括空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩； 電力拖動系統(tǒng)運動部分折算到電機 軸上的飛輪力矩; 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩電流 比。 dt dnGD TT le 375 2 dme ICT L T 2 GD /30

24、 em CC Spring 2011 38華南理工大學 考慮到 為負載電流，則上式可化簡為： (1-11) 在零初始條件下，對上式取拉氏變換得反電 勢與電流之間的傳遞函數(shù)為： (1-12) 轉(zhuǎn)速與電流之間的傳遞函數(shù)為： (1-13) 式中 電機的積分時間常數(shù)。 dt dE R T dt dE RCC RGD dt dn C GD II m emm Ld 1 375375 22 LmL ICT sT R sIsI sE mLd )()( )( sTsIsI sn iLd 1 )()( )( i T Spring 2011 39華南理工大學 聯(lián)合式（1-9）和式（1-12）并考慮到 ， 可得直流電

25、動機在電流連續(xù)時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖， 如圖1-13 圖113 額定勵磁下，直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 nCE e R Tms 1 Ce n(s) )(sU d )(sId)(sIL E(s) sT R l 1 / 1 Spring 2011 40華南理工大學 (2)(2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置晶閘管觸發(fā)和整流裝置 可將晶閘管變流裝置當作一階慣性環(huán)節(jié)來處 理，其傳遞函數(shù)為: (1-14) (3)(3)比例放大器比例放大器 (1-15) (4)(4)轉(zhuǎn)速檢測及反饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速檢測及反饋環(huán)節(jié) (1-16) sT K sU sU s s c d 1)( )( )( )( sU sU K n c p )( )( sn

26、sU fn Spring 2011 41華南理工大學 1.3.1.3 1.3.1.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 根據(jù)前面得出的各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以及它們 在系統(tǒng)中的相互關(guān)系，可畫出單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-14所示。 圖114 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 n(s) E(s) )(sIL )(sId 1sT K s s 1 /1 sT R l p K sT R me C 1 )(sU d )(sUn )(sU fn )(sU c )(sUc Spring 2011 42華南理工大學 由圖可見，將晶閘管變流裝置按一階慣性 環(huán)節(jié)近似處理后，對

27、比調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)可以看成是一個三階系統(tǒng)，可推得其開環(huán)傳 遞函數(shù)為: (1-17) 式中 。 當 =0時，可推得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： (1-18) ) 1)(1( )( 2 sTsTTsT K sW mlmS esp CKKK/ 1 11 )( 1 1 / )( )( )( 23 s K TT s K TTT s K TTT K C sU sn sW smslmslm es n L I Spring 2011 43華南理工大學 1.3.2 1.3.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定 條件條件 由式（1-18）可知，系統(tǒng)的特征方程為 (1-19) 它的一般表達式為 根據(jù)勞斯古

28、爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的 充分必要條件是 0， 0， 0， 0及 - 0 01 11 )( 1 23 s K TT s K TTT s K TTT SmSlmSlm 0 32 2 1 3 0 asasasa 0 a 1 a 3 a 2 a 1 a 2 a 3 a 0 a Spring 2011 44華南理工大學 式（1-19）的各項系數(shù)顯然都大于零，因此穩(wěn)定 條件就只有 即, (1-20) 式(1-20)表明，當系統(tǒng)參數(shù) , , 已定的 情況下,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其開環(huán)放大系數(shù)K不能 太大,必須滿足式(1-20)的穩(wěn)定條件。因此，由 滿足穩(wěn)態(tài)性能要求所計算的值還必須按系統(tǒng)穩(wěn)定 性條件進行校核。

29、 0 111 )( K TTT K TT K TTT SlmSmSlm Sl SSlm TT TTTT K 2 )( m T 1 T s T Spring 2011 45華南理工大學 1.3.3 1.3.3 動態(tài)校正動態(tài)校正PIPI調(diào)節(jié)器設(shè)計調(diào)節(jié)器設(shè)計 設(shè)計一個閉環(huán)控制系統(tǒng)時,一般分以下三 步進行: (1) 進行總體設(shè)計，基本部件選擇和穩(wěn)態(tài)參數(shù) 計算，以形成一個基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者 原始系統(tǒng)； (2) 建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型； (3) 檢查原始系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動態(tài)性能， 若它不穩(wěn)定或動態(tài)性能不好，就為它設(shè)計配置 合適的校正裝置，使校正的系統(tǒng)能夠全面滿足 要求。 Spring 2011

30、 46華南理工大學 1.3.3.1 1.3.3.1 控制系統(tǒng)對開環(huán)對數(shù)頻率特性的要求控制系統(tǒng)對開環(huán)對數(shù)頻率特性的要求 在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)的校正裝置時,所采用 的主要研究工具是伯德圖,利用它不僅可獲知 穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度的信息,而且還能大致地衡 量閉環(huán)系統(tǒng)的各種穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。在定性 地分析控制系統(tǒng)的性能時,通常將伯德圖分成 低、中、高三個頻段,如圖1-15: 圖115典型的控制系統(tǒng)伯德圖 -20dB/dec c 0 dBL )( 低 中高頻段 Spring 2011 47華南理工大學 1.3.3.2 1.3.3.2 調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計調(diào)節(jié)器串聯(lián)校正設(shè)計 (1)PI(1)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 采用運算放大

31、器的PI調(diào)節(jié)器線路如圖1-16 所示 圖1-16 PI調(diào)節(jié)器電路 由圖可知, 1 i 0 i R in U 0 U dtUUKdtU CR U R R U iipiii 11 100 1 0 Spring 2011 48華南理工大學 由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和 積分兩部分組成。在零初始條件下,對上式兩 邊取拉氏變換并整理得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù), (1-21) 在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)的輸出特 性如圖1-17所示。 圖1-17 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器輸出特性 s s K s sK s K sU sU sW pi pi pi i pi 1 10 1 1 1 )( )( )(

32、0 i U 0 U m U0 i U ipiU K Spring 2011 49華南理工大學 (2) PI(2) PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計 根據(jù)原始的帶比例放大器閉環(huán)系統(tǒng)的伯德 圖和期望的經(jīng)過校正的系統(tǒng)伯德圖可設(shè)計出PI 調(diào)節(jié)器。其具體設(shè)計步驟如下： (1)判斷原始系統(tǒng)是否穩(wěn)定； (2)根據(jù)工藝要求的動態(tài)性能或系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度 確定校正后系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)對數(shù)頻率特性； (3)確定原始系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性； (4)確定校正環(huán)節(jié)添加部分的對數(shù)頻率特性; (5)計算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 Spring 2011 50華南理工大學 1.4 1.4 無靜差調(diào)速系統(tǒng)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 1.4.1 1.4.1 系

33、統(tǒng)無靜差的實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差的實現(xiàn) 前面討論的帶比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)本質(zhì)上是一個有靜差系統(tǒng)。也就是說，當系統(tǒng) 達穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速只能接近給定值，而不可能完全 等于給定值。為了完全消除靜差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜 差調(diào)節(jié)，根據(jù)自動控制理論，可以在系統(tǒng)中引入 積分控制規(guī)律，即采用比例積分控制規(guī)律，也就 是用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。 Spring 2011 51華南理工大學 1.4.2 1.4.2 采用積分（采用積分（I I）調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)器 采用運算放大器構(gòu)成的積分調(diào)節(jié)器的 原理圖及輸出特性，如圖1-18所示 （a）原理圖（b）階躍輸入時的輸出特性 圖118積分調(diào)節(jié)器 C 0 R R i U 0 U m

34、 U0 i U i U 0 U Spring 2011 52華南理工大學 由圖可得, 進一步可得積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為, 積分調(diào)節(jié)器有 : （1）延緩作用 （2）積累作用 （3）記憶作用 dtUdtU cR U ii o o 11 ssU sU sW i o i 1 )( )( )( Spring 2011 53華南理工大學 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中若用I調(diào)節(jié)器代替P調(diào) 節(jié)器，則控制電壓為: 只要出現(xiàn)過 ,其積分就有一定數(shù)值。 但是，由于積分過程需要一定時間，控制電 壓的值只能逐漸化增長，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變 慢，尤其當 較大時，控制電壓增長更慢， 會使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變得很慢。所以積分控制 不宜單獨在快速

35、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用。 dtUU nc 1 n U Spring 2011 54華南理工大學 1.4.3 1.4.3 采用比例積分（采用比例積分（PIPI）調(diào)）調(diào) 節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 1.4.3.1 1.4.3.1 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 PI調(diào)節(jié)器輸出是由比例和積分兩部分相加 而成。采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 如圖1-19所示。 圖-19采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) Uc M TG + - Ud R0 R0 R Un Rp1 Ufn 1 R 1 C d I + Spring 2011 55華南理工大學 其輸入輸出動態(tài)特性如圖1-20所示:

36、圖1-20PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性 由圖可見,在系統(tǒng)起動過程中，PI調(diào)節(jié)器 輸出的比例控制作用由強變?nèi)?對系統(tǒng)起動過 程有強烈作用,促使系統(tǒng)響應(yīng)加速,其積分控制 作用則由弱到強,最終消除靜差,而 是 與 之和,它既具有快速性能,又足以消除調(diào)速系統(tǒng) 的靜差。 n U t t 0 c U c U cp U 2c U c U cP U ci U cP U c U Spring 2011 56華南理工大學 1.4.3.2 1.4.3.2 系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過程 無靜差調(diào)速系統(tǒng)只是在靜態(tài)時轉(zhuǎn)速無靜差, 動態(tài)時轉(zhuǎn)速還是有靜差的?，F(xiàn)以階躍負載擾動為 例,說明PI的調(diào)節(jié)器在抗擾調(diào)節(jié)過程中的作用。

37、 設(shè)系統(tǒng)原來在負載 下以轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定運行，這時 PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓 =0，觸發(fā)電路控 制電壓 = ，整流電壓 = 。在t1時刻負載 由 突增至 ，這時轉(zhuǎn)速 和整流電壓 的變 化過程示于下圖1-21中。 1L T 1 n 1fnnn UUU c U 1c U d U 1d U 1L T 2L T n d U Spring 2011 57華南理工大學 由于 正比于 ，因 此 的波形與 相似，當 最大時， 作用最強，最后當 =0時， =0， 比 例控制作用結(jié)束，也 就是說 與 共存 亡。 圖1-21 系統(tǒng)的抗擾調(diào)節(jié)過程 n 1 n 0 c U )( d U l T 0 0 c U )( d U 0

38、1c U 1L T 2L T 3 1 2 2ccpc UUU 2c U t t t t (a) (b) (c) (d) cP U n U cP U n U n U cP U n U cP U cP U n U Spring 2011 58華南理工大學 1.4.3.3 1.4.3.3 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、靜特性及其系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、靜特性及其 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 采用 PI調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差。 為了限制動態(tài)過程中的沖擊電流還須加入電流截 止負反饋環(huán)節(jié)。圖1-22所示為帶電流截止負反饋 環(huán)節(jié)的單閉無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 1 C 1 R 0 R 0 R d U c U VT TA VST

39、圖22帶電流截止負反饋的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) Spring 2011 59華南理工大學 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-23(a)所示，其中PI 調(diào)節(jié)器方框中無法用放大系數(shù)表示,一般用它的 輸出特性表示。系統(tǒng)的理想靜特性如圖1-23(b) 所示。 Ks 1 Ce + - n U n U Uc Ud Ufn nE + - R Id fi U com U d I n dc I 3 n 2 n 1 n max n （a）穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（b）靜特性 圖23 無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及靜特性 Spring 2011 60華南理工大學 1.4.4 1.4.4 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析 1.4.4.1 1.4.

40、4.1 比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)動 態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-24所示。 (a)一般情況 (b) =0時 圖1-24采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1 / 1 2 sTsTT C mlm e 1sT K s s Kp ) 1(sTR l )(sIdL )(sn n U Spring 2011 61華南理工大學 當 =0時，只有擾動輸入 ，這時輸出量為 負載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差，即動態(tài)速降 ，利 用反饋連接等效轉(zhuǎn)變換法則，可求得 (s)為: (1-22) 利用拉氏變換后整理可求出負載擾動引起的 穩(wěn)定誤差為: (1-23) KsTs

41、TTsT STsT C R sI sn mlms ls e l ) 1)(1( ) 1)(1()( )( 2 )1 () 1)(1( ) 1)(1( lim)(lim 2 00 KC RI KsTsTTsT TsT C R I snsn e l mlms ls e L ss n U L I n n Spring 2011 62華南理工大學 1.4.4.2 1.4.4.2 積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 將比例調(diào)節(jié)器換成積分調(diào)節(jié)器，則圖1-24(a) 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖1-25所示。同樣利用反饋連接 等效變換法則可求得 , 圖1-25 采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（

42、=時） 1 /1 2 sTsTT C mlm e 1sT K s s )1(sTR l )(sIdL )(sn s 1 n U n Spring 2011 63華南理工大學 (1-24) 突加負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為: (1-25) 可見，積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的。 e s mlms ls e L C K sTsTTsTs sTsTR C T sn )1)(1( )1)(1( )( 2 0 ) 1)(1( ) 1)(1( lim)(lim 2 00 e s mlms ls e L ss C K sTsTTsTs sTsTsR C I snsn Spring 2011 64華南理工大學 1.

43、4.4.3 1.4.4.3 比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差 采用比例積分調(diào)節(jié)器控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) Un=0時的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-26所示。依照前面的 推導方法，可得突加負載擾動引起的轉(zhuǎn)速偏差, 相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)速差為, ) 1() 1)(1( ) 1)(1( )( 2 sK C K sTsTTsTs sTsT C RI sn pi e s mlms ls e L 0 ) 1() 1)(1( ) 1)(1( lim)(lim 2 00 sK C K sTsTTsTs sTsTs C RI snsn pi e s mlms ls e L ss Spring 2011 65華南

44、理工大學 1.5 1.5 電壓反饋電流補償控制的電壓反饋電流補償控制的 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) 現(xiàn)實生活中,若生產(chǎn)機械對調(diào)速精度要求不是 太高，則可以用電動機端電壓負反饋取代轉(zhuǎn)速反 饋，構(gòu)成電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)。按反饋控制原理 該系統(tǒng)只能維持電動機端電壓恒定，不能對電動 機電樞電阻壓降引起的穩(wěn)態(tài)速降加以限制，因而 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能較差。為彌補這一不足，在系統(tǒng)中 引入電流正反饋，用以補償電樞壓降引起的轉(zhuǎn)速 降，構(gòu)成電壓負反饋電流補償控制的單閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)。 Spring 2011 66華南理工大學 1.5.1 1.5.1 電壓負反饋單閉環(huán)有靜電壓負反饋單閉環(huán)有靜 差調(diào)速系統(tǒng)差調(diào)速系統(tǒng) 若忽略電樞壓降，則電動

45、機的轉(zhuǎn)速近似地與 電樞端電壓成正比，因此電壓負反饋基本上能取 代轉(zhuǎn)速負反饋的作用。圖1-26所示，為電壓負反 饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 圖-26電壓負反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng) Uc M Ua R1 R0 R0 R n U afu UU Spring 2011 67華南理工大學 圖1-27所示為電壓負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 圖27電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 利用結(jié)構(gòu)圖運算規(guī)則，可得電壓負反饋調(diào)速 系統(tǒng)的靜特性方程式為, (1-26) KpKs 1 Ce + - n Un U Uc Ud n + - Id s R a R E bobd e a d e s e nsp nnI C R I KC R KC UKK n )1 ()1 ( Spring 2011 68華南理工大學 電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)有如下特征: (1) 電壓負反饋把反饋環(huán)包圍的整流裝置 的內(nèi)阻等引起的穩(wěn)態(tài)速降減小到1/（1+K）,而 由電樞電阻壓降引起的速降 仍和開環(huán)時 一樣。 (2)電壓負反饋信號不僅應(yīng)取自平波電抗器 后面盡量靠近電樞兩端，而且還必須經(jīng)過濾波 后才能引入放大器輸入端。 (3)為安全起見,對電壓較高，電機容量較 大的系統(tǒng)，通常在反饋回路中加入電壓隔離器 ，以保證主回路和控制電路之間沒有電的直接 聯(lián)系。 eda CIR/ S